Bài báo này trình bày một số kết quả xử lý bề mặt hạt cốt SiC và graphit bằng Cu, dùng trong compozit chịu mài mòn (vật liệu làm dụng cụ cắt) và vật liệu có độ dẫn điện cao, hệ số ma sát thấp (chổi than điện).
On the surface treatment of reinforcement phase for metal matrix composite processing
Phạm Thảo
Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
TÓM TẮT
Bài báo trình bày một số kết quả mạ Cu bề mặt pha cốt (hạt SiC và graphit) bằng phương pháp phủ điện hóa và hóa học nhằm cải thiện mối liên kết nền-cốt trong việc chế tạo compozit nền kim loại.
ABSTRACT
This paper reports results of surface treatment of SiC and graphite particles by electrogalvanizing and chemistry treatment to improve interface between matrix and reinforcement phases for metal matrix composite processing.
1. Đặt vấn đề
Vật liệu compozit nền kim loại có các tính chất tổng hợp được ứng dụng trong các điều kiện làm việc đặc biệt (bền nóng, độ dẫn điện, độ chịu mài mòn, tính cắt gọt cao, hệ số ma sát thấp,…). Các tính chất đó không chỉ phụ thuộc vào bản chất của pha nền, pha cốt mà còn vào liên kết giữa chúng. Do sự khác biệt lớn về đặc tính vật lý và hóa học, để đạt được một liên kết nền-cốt tốt, ngoài các biện pháp công nghệ chế tạo, còn phải xử lý bề mặt hạt cốt bằng cách phủ lên chúng một lớp thích hợp. Bài báo này trình bày một số kết quả xử lý bề mặt hạt cốt SiC và graphit bằng Cu, dùng trong compozit chịu mài mòn (vật liệu làm dụng cụ cắt) và vật liệu có độ dẫn điện cao, hệ số ma sát thấp (chổi than điện).
2. Thực nghiệm
2.1. Xử lý bề mặt hạt bột SiC
a. Vật liệu ban đầu
Vật liệu bột siêu cứng dùng làm cốt hạt trong chế tạo compozit nền kim loại có rất nhiều chủng loại khác nhau. Trong bài báo này chỉ đề cập đến hạt siêu cứng cacbít silic (SiC). Đây là vật liệu tương đối dễ kiếm, giá thành hợp lý và đã được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới.
Bột cacbít silic (SiC) được nhập từ Nga, có độ sạch trên 98% với kích thước hạt khác nhau được trình bày ở bảng 1.
| Bột SiC | M1 | M2 | M3 | M4 | M5 |
| d (μm) | 88-100 | 125-135 | 300-315 | 630-750 | 950-1000 |
Bảng 1. Kích thước hạt SiC của các mẫu bột thí nghiệm
Kim loại mạ được dùng là đồng, trên cơ sở dùng dung dịch điện phân gồm: H2SO4 200g/l; CuSO4 300g/l.
b. Quy trình và thiết bị mạ điện hóa bột cacbít silic
Quá trình mạ một lớp kim loại mỏng lên các hạt bột SiC bằng phương pháp điện hóa được thực hiện theo sơ đồ nêu trên hình 1.
Hình 1. Sơ đồ mạ Cu lên bề mặt hạt bột SiC
Sơ đồ gồm: thanh dẫn (3) đóng vai trò catôt với lớp cách điện (2) được nhúng trong bể mạ (5) cùng anôt (7). Bột cacbít silic (4) trong không gian gần catôt được giữ bằng màng ngăn đặc biệt (1), màng ngăn này chỉ cho phép chất điện phân (6) đi vào trong không gian lớp bột xốp SiC và không cho bột cacbít silic lan ra bể điện phân. Anôt và catôt được nối với nguồn điện một chiều có gắn đồng hồ đo cường độ dòng điện (I). Các thông số kỹ thuật được khảo sát gồm: mật độ dòng catôt (IC), kích thước hạt bột SiC (d), chiều dày lớp bột (δ) và chiều dầy lớp mạ.
2.2. Xử lý bề mặt hạt graphit
a. Vật liệu ban đầu
Graphit sử dụng thuộc loại graphit tuyển nổi Yên Bái đã qua tinh luyện trong xút nóng chảy có độ sạch 98 %.
Đồng sunfat – CuSO4.5H2O loại PA được hòa tan trong nước cất theo nồng độ chọn trước.
Kẽm dạng lá được dùng để tránh khả năng dư kim loại này trong quá trình xi măng hóa, làm giảm độ sạch của hỗn hợp bột.
b. Quy trình và chế độ phủ
Quy trình phủ được thực hiện như trên hình 2.
Hình 2. Sơ đồ công nghệ phủ Cu lên graphit trong dung dịch đồng sunfat
Chế độ phủ được lựa chọn như sau:
Tỷ lệ graphit/dung dịch đồng sunfat bằng 1/10. Lượng graphit dùng cho thực nghiệm là 4,5 g; lượng dung dịch tương ứng là 45 ml. Nồng độ ion Cu2+ trong 1 lít dung dịch được chuẩn bị theo tỷ lệ hàm lượng đồng yêu cầu trong hỗn hợp bột đồng – graphit. Nồng độ Cu2+ [g/l] sau đây được chọn để khảo sát trong quá trình phủ: 10, 15, 20, 25. Lượng CuSO4.5H2O [g] dùng để chuẩn bị 45 ml dung dịch phủ tương ứng với các nồng độ trên là: 1,77; 2,67; 3,54; 4,33. Các chế độ khác: thời gian 15 phút, nhiệt độ 50oC, tốc độ khuấy 80 v/ph.
